雙線TBM下穿建筑物變形與控制技術(shù)研究

李善明 秦大偉 柳華榮 戴旭

摘? 要：采用有限元軟件建立雙線TBM隧道下穿建筑物計(jì)算模型，分析TBM隧道下穿建筑物施工對(duì)地表及建筑物的影響規(guī)律，同時(shí)研究全斷面帷幕注漿加固與超前小導(dǎo)管注漿加固效果。計(jì)算結(jié)果表明，地表沉降槽的峰值點(diǎn)會(huì)朝向破碎帶位置偏移；建筑物變形呈現(xiàn)中間大兩頭小的趨勢(shì)；隨著建筑物層數(shù)的增加，框架柱的沉降值逐漸減??；全斷面帷幕注漿加固效果要比超前小導(dǎo)管注漿加固效果更好。

關(guān)鍵詞：TBM下穿工程；有限元軟件；注漿加固；智慧城市；智能化控制

中圖分類號(hào)：U455? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0163-04

Abstract： Finite element software is used to establish the calculation model of double-line TBM tunnel under the building， and the influence law of TBM tunnel under the building construction on the surface and the building is analyzed， and the reinforcement effect of full section curtain grouting and advance small pipe grouting is studied. The calculation results show that，? the peak point of the surface settlement trough will shift toward the position of the broken zone; the deformation of the building shows a trend of larger and smaller in the middle; with the increase of the number of buildings， the settlement value of frame column decreases gradually; and the reinforcement effect of full-section curtain grouting is better than that of advance small conduit grouting.

Keywords： TBM underpass project; finite element software; grouting reinforcement; smart city; intelligent control

隨著城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，城區(qū)人口密度不斷增大，交通堵塞成為急需解決的問題。越來越多大、中、小城市開始了智慧城市的建設(shè)，其中地鐵隧道建設(shè)是智慧城市建設(shè)中不可或缺的一部分。由于隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）有著智能化程度高、開挖影響小和掘進(jìn)速度快等優(yōu)勢(shì)，使其成為城市隧道建設(shè)的首選。地鐵隧道的選址往往在人口及建筑物密集的城市中心區(qū)域，TBM隧道掘進(jìn)下穿老舊敏感建筑物時(shí)仍會(huì)造成一定的影響，若控制不得當(dāng)極易導(dǎo)致建筑出現(xiàn)破壞、傾斜、裂縫等現(xiàn)象。

國內(nèi)外學(xué)者的研究成果主要集中在盾構(gòu)隧道下穿工程的變形規(guī)律及控制措施[1-4]，對(duì)于雙線TBM下穿工程的變形及控制措施的相關(guān)研究并不多見。戴旭等[5]采用有限元軟件，分析了隨著盾構(gòu)隧道的開挖，鄰近建筑物基礎(chǔ)的沉降量、沉降差、扭轉(zhuǎn)及傾斜的變形規(guī)律。王學(xué)斌[6]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合和方法，分析了隧道開挖引起建筑物變形的機(jī)理，同時(shí)驗(yàn)證了注漿加固與高壓旋噴樁加固措施的有效性。孫杰等[7]采用數(shù)值計(jì)算的方法，建立了TBM連續(xù)下穿多座建筑物的三維力學(xué)模型，研究了TBM單洞掘進(jìn)對(duì)建筑物變形的空間屬性效應(yīng)。任建喜等[8]通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了雙線盾構(gòu)隧道施工引起地表及建筑物的變形規(guī)律。

本文采用數(shù)值模擬的方法，分析了雙線TBM下穿建筑物的地表沉降規(guī)律及建筑物變形特性；研究了全斷面帷幕注漿加固與超前小導(dǎo)管注漿加固加固效果，為今后TBM下穿工程的智能化控制提供依據(jù)，為類似工程提供參考與借鑒。

1? 工程概況

某隧道軸線埋深約25 m，采用2臺(tái)TBM同時(shí)施工，在右線開挖1個(gè)月后左線隧道開始掘進(jìn)。隧道開挖直徑為6.3 m，襯砌寬度1.5 m，外徑和內(nèi)徑分別為6 m和5.4 m。根據(jù)勘察結(jié)果表面，地表以下土層分別為素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、破碎帶、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖，擬建隧道位于中風(fēng)化花崗巖中，局部位于破碎帶中。

隧道下穿建筑物為某區(qū)間的一棟老舊居民樓，建筑為6層框架結(jié)構(gòu)。建筑物長度和寬度分別為40 m和8.7 m，層高為3.6 m，基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，雙線TBM隧道從其正下方穿過。建筑物與隧道的剖面位置關(guān)系分別如圖1所示。

2? 計(jì)算模型

2.1? 計(jì)算模型建立

根據(jù)本段工程特點(diǎn)，選取Z方向?yàn)樗淼篱_挖方向，水平和豎直方向分別為X方向和Y方向，選取土體水平方向尺寸為100 m，豎直方向?yàn)?2 m，隧道開挖方向?yàn)?90 m。土體材料采用實(shí)體單元、摩爾庫倫本構(gòu)模型；建筑物、襯砌、TBM均采用彈性模型，實(shí)體單元；各部件物理力學(xué)參數(shù)見表1。

為分析雙線隧道下穿建筑物的影響及不同加固措施的加固效果，分別建立3個(gè)模型。模型1為未加固時(shí)雙線隧道下穿建筑物模型，如圖2所示；模型2為全斷面帷幕注漿加固后雙線隧道下穿建筑物模型，加固方式如圖3所示；模型3為超前小導(dǎo)管注漿加固后雙線隧道下穿建筑物模型，加固方式如圖4所示。

2.2? 邊界條件

模型的邊界條件為：限制模型四周的法向位移，限制底邊3個(gè)方向的位移，模型頂面為自由面。

2.3? 隧道開挖模擬

本文采用生死單元法來模擬TBM隧道開挖過程，TBM每次向前推進(jìn)3 m，激活隧道掘進(jìn)方向的TBM單元，同時(shí)鈍化土體單元來模擬TBM向前推進(jìn)。激活TBM后方的襯砌單元來模擬實(shí)際施工過程中襯砌的拼裝。

3? 模型有效性驗(yàn)證

為保證模型的正確性和有效性，選取與文獻(xiàn)[5]相同的計(jì)算參數(shù)與模型工況，采用本文的建模方法，得到地表沉降曲線的對(duì)比圖如圖5所示。

由圖5可知，采用本文數(shù)值模擬方法所計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)[5]的結(jié)果基本一致，說明本文的數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確有效。

4? 計(jì)算結(jié)果分析

4.1? 加固前雙線隧道下穿建筑物數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1.1? 地表沉降分析

為分析地表不同位置處的沉降變化規(guī)律，在地表設(shè)置3條監(jiān)測線如圖6所示。提取3條監(jiān)測線的沉降曲線繪制于圖7中。

由圖7可知：

1）3條監(jiān)測線的地表沉降槽均為典型的U型曲線，其中監(jiān)測斷面2與監(jiān)測斷面3的最大沉降值并未出現(xiàn)在兩隧道的中心線位置，而是出現(xiàn)在隧道中線線左側(cè)位置。分析認(rèn)為，由于破碎帶的影響，導(dǎo)致地表不同位置處的沉降槽出現(xiàn)一定的差異，即地表沉降槽的峰值點(diǎn)會(huì)朝向破碎帶位置的偏移。

2）監(jiān)測斷面1的最大沉降值為5.34 mm，監(jiān)測斷面2的最大沉降值為5.01 mm，監(jiān)測斷面3的最大沉降值為4.42 mm。由圖可知，監(jiān)測斷面2的最大沉降值大于監(jiān)測斷面3的最大沉降值，且監(jiān)測斷面2與監(jiān)測斷面3的地表均無建筑物影響，這說明在地表情況相同的情況下，破碎帶位置越靠近隧道中心線對(duì)地表沉降的影響越大。

4.1.2? 建筑物變形分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取建筑物的變形云圖如圖8所示。

由圖8可知，在進(jìn)行地層加固之前，雙線TBM隧道穿越建筑物后，建筑物變形呈現(xiàn)中間大兩頭小的趨勢(shì)，這與地表沉降趨勢(shì)相一致。建筑物最大沉降值在建筑物中間位置，為5.5 mm，沉降變形量較大，容易引起建筑破壞與裂縫發(fā)展問題。由于在圖8建筑物豎向沉降云圖中建筑物沿高度方向的沉降規(guī)律難以直接觀察出來，因此提取建筑各層最中間的柱子沉降值如圖9所示。

由圖9可知，首層框架柱的沉降值最大，為5.45 mm，隨著層數(shù)的增加，框架柱的沉降值逐漸減小，頂層沉降值最小，為5.42 mm，首層沉降值與地層沉降值相差0.03 mm，可以認(rèn)為，本文工程地質(zhì)條件下，建筑物最中間框架柱的沉降變形量在沿高度方向上變化不大，均集中在5.41～5.46 mm之間。由曲線可知，曲線的斜率即代表沉降值的減小速率，隨高度的增加，框架柱沉降值減小速率逐漸降低。因此，在雙線TBM正下穿框架結(jié)構(gòu)建筑物時(shí)，應(yīng)著重監(jiān)測框架結(jié)構(gòu)首層的沉降變化，防止由于開挖過程中沉降值過大造成建筑物沉降、傾斜、開裂等情況的發(fā)生。

4.2? 加固后雙線隧道下穿建筑物數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1? 地表沉降對(duì)比分析

選取地表沉降中最危險(xiǎn)的監(jiān)測斷面1，將模型1—3的監(jiān)測斷面1的地表沉降結(jié)果繪制于圖10。

由圖10可知，模型2與模型3的地表沉降量明顯小于模型1的地表沉降量，說明全斷面帷幕注漿加固與超前小導(dǎo)管注漿加固措施效果明顯，能有效改善隧道下穿施工帶來的沉降過大問題。模型1的最大沉降值為5.34 mm，模型2的最大沉降值為2.06 mm，模型3的最大沉降值為2.19 mm。全斷面帷幕注漿加固使得地表沉降減小了61.4%，超前小導(dǎo)管注漿加固使得地表沉降減小了59%?？梢?，全斷面帷幕注漿加固方式效果更好。

4.2.2? 建筑物沉降對(duì)比分析

模型2與模型3的建筑物變形云圖分別如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可知，地層加固后，建筑物的沉降值仍呈現(xiàn)中間大兩端小的趨勢(shì)。建筑物最大沉降值明顯減小，模型2全斷面帷幕注漿加固后的建筑物最大沉降為2.11 mm，模型3超前小導(dǎo)管注漿加固后的建筑物最大沉降為2.25 mm。地層加固措施對(duì)于減小建筑物沉降效果顯著，其中全斷面帷幕注漿加固使建筑物最大沉降減小了61.6%，超前小導(dǎo)管注漿加固使建筑物最大沉降減小了59.1%。可見，地層加固對(duì)減小地表沉降的效果與減小建筑物沉降的效果大致相同，均為全斷面帷幕注漿加固效果更好。

5? 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬分析了地層加固前雙線TBM隧道施工對(duì)地表及建筑物的影響，同時(shí)研究了不同地層加固方式的加固效果，并得出以下結(jié)論：①當(dāng)?shù)貙哟嬖趦A斜走向破碎帶時(shí)，地表沉降槽的峰值點(diǎn)會(huì)朝向破碎帶位置偏移。②地表情況相同的情況下，破碎帶位置越靠近隧道中心線對(duì)地表沉降的影響越大。③建筑物變形呈現(xiàn)中間大兩頭小的趨勢(shì)，這與地表沉降趨勢(shì)相一致。④首層框架柱的沉降值最大，隨著層數(shù)的增加，框架柱的沉降值逐漸減小。⑤地層加固對(duì)減小地表沉降的效果與減小建筑物沉降的效果大致相同，均為全斷面帷幕注漿加固效果更好。

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